鹿鳴

? ?一枚“宇宙神”V 401運(yùn)載火箭正在發(fā)射一顆天基紅外導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星。

2017年4月7日，敘利亞當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨4點(diǎn)40分，美軍向敘利亞霍姆斯附近機(jī)場(chǎng)發(fā)射了導(dǎo)彈。59枚“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈從地中海的兩艘美國(guó)軍艦起飛，打擊目標(biāo)為敘利亞政府軍控制的空軍基地，打擊重點(diǎn)為機(jī)場(chǎng)內(nèi)的飛機(jī)和機(jī)場(chǎng)跑道。事后不久，某些媒體聲稱這59枚導(dǎo)彈中，只有23枚命中了目標(biāo)。然而，1天后，以色列公布的衛(wèi)星照片則較為清晰地指出，有58枚導(dǎo)彈命中作戰(zhàn)計(jì)劃中選定的44個(gè)目標(biāo)。

流言終結(jié)者

現(xiàn)代軍用衛(wèi)星在軍事偵察、導(dǎo)彈預(yù)警和導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能分析方面的應(yīng)用已經(jīng)極其廣泛。而在美軍用“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈打擊敘利亞基地的作戰(zhàn)行動(dòng)過后，當(dāng)即出現(xiàn)的媒體文章則劍指“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能。當(dāng)很多人還在議論59枚導(dǎo)彈僅僅命中23枚，其效能是如此低下，開始質(zhì)疑該款導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)與使用情況時(shí)，幾張衛(wèi)星照片瞬間給美軍找回了顏面：59枚導(dǎo)彈，命中58枚。姑且不去討論之前所說的59枚僅命中23枚是否是輿論宣傳戰(zhàn)的一部分，僅僅從處于事件核心部分，能夠充當(dāng)關(guān)鍵證據(jù)的那幾張衛(wèi)星照片來看，現(xiàn)代軍用衛(wèi)星的大規(guī)模應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)悄然來臨。此次行動(dòng)中，以色列的軍用衛(wèi)星其反應(yīng)速度之快、拍攝之清晰、判讀之詳盡，是值得注意的。

再聯(lián)系之前的新聞事件：美國(guó)東部夏令時(shí)2017年1月20日晚19點(diǎn)42分，美國(guó)空軍的“天基紅外系統(tǒng)”03星GEO-3在佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角發(fā)射升空。一枚“宇宙神”V 401運(yùn)載火箭將這顆衛(wèi)星送入了地球同步軌道。至此，隸屬于美國(guó)天基紅外導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的這顆衛(wèi)星與分別于2011年和2013年發(fā)射的GEO-1和GEO-2衛(wèi)星一起，使美國(guó)空軍的天基紅外系統(tǒng)的高軌星座的衛(wèi)星數(shù)量擴(kuò)充為3顆。

可見，美國(guó)新一代導(dǎo)彈預(yù)警和軍事偵察衛(wèi)星星座已經(jīng)開始了進(jìn)一步的升級(jí)和擴(kuò)充。那么，導(dǎo)彈預(yù)警與軍事偵察衛(wèi)星是怎樣發(fā)端的？軍事偵察衛(wèi)星的照片現(xiàn)在多有經(jīng)媒體流出的版本，那么傳說中充滿神秘色彩的預(yù)警衛(wèi)星則是怎樣的設(shè)計(jì)的呢？它們工作在怎樣的頻段，對(duì)地面的覆蓋情況又如何呢？未來的軍用導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星又會(huì)向什么方向發(fā)展呢？

巡天之火眼

自上世紀(jì)60年代開始，美國(guó)空軍就產(chǎn)生了使用衛(wèi)星來監(jiān)視地球表面的導(dǎo)彈發(fā)射活動(dòng)的想法。從天上看地面的衛(wèi)星，擁有一個(gè)天然的優(yōu)勢(shì)：一旦數(shù)量足夠，就不必受到地球曲率的影響。而在地面架設(shè)的超遠(yuǎn)程導(dǎo)彈預(yù)警雷達(dá)則難以避開地球是圓的這個(gè)事實(shí)，只能當(dāng)遠(yuǎn)處的導(dǎo)彈飛到一定高度的時(shí)候才能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。（具體來說，遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)對(duì)于洲際彈道導(dǎo)彈的預(yù)警確認(rèn)時(shí)刻發(fā)生在導(dǎo)彈距離地面200千米以上的高度，此時(shí)留給攔截導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間約為15分鐘。）

而在太空中運(yùn)行的衛(wèi)星則有著居高臨下的優(yōu)勢(shì)。如果導(dǎo)彈處于其視場(chǎng)范圍內(nèi)的話，理論上，導(dǎo)彈一發(fā)射就會(huì)被衛(wèi)星偵測(cè)到。（實(shí)際上還是需要一些時(shí)間的，這個(gè)在下文討論。）

于是，從1960年2月份到1966年10月份，美國(guó)嘗試著發(fā)射了12顆早期導(dǎo)彈紅外預(yù)警衛(wèi)星。這12顆衛(wèi)星比后來的DSP衛(wèi)星還要早，它們是真正的紅外預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)端。（這一點(diǎn)，大部分文獻(xiàn)并沒有詳細(xì)說明，讓人誤以為DSP衛(wèi)星是預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)軔者。）

再后來，就到了DSP衛(wèi)星的時(shí)代了。DSP在這里，并不是DSP芯片的意思，而是Defense Support Program（國(guó)防支援計(jì)劃）的縮寫。從1970年11月到2007年11月，共有23顆衛(wèi)星發(fā)射入軌。這些衛(wèi)星成為了冷戰(zhàn)時(shí)期甚至是21世紀(jì)前10年的美國(guó)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的主力，見證了那個(gè)劍拔弩張的冷戰(zhàn)時(shí)代，同時(shí)也在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中做到了嚴(yán)陣以待。DSP衛(wèi)星運(yùn)行在地球同步軌道上，攜帶了使用施密特?cái)z星儀的廣角紅外輻射傳感器，衛(wèi)星會(huì)對(duì)著地球南北極方向旋轉(zhuǎn)，每6分鐘就會(huì)對(duì)地球表面進(jìn)行一次掃描。

1970年11月6日，首顆DSP星被送入太空。該衛(wèi)星重900千克。4張?zhí)?yáng)能帆板和衛(wèi)星周身的太陽(yáng)能電池能夠?yàn)樾l(wèi)星提供400瓦的電功率。在衛(wèi)星頂端的施密特鏡組里面，是2 000個(gè)紅外傳感器。

DSP天基紅外導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的02、03和04星接連發(fā)射。與01星一起，這4顆星構(gòu)成了美國(guó)空軍第一代DSP預(yù)警衛(wèi)星星座。從DSP 05星開始，DSP衛(wèi)星進(jìn)入第2代。而到了DSP衛(wèi)星的13號(hào)星，該系列衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展到了第4代，其太陽(yáng)能帆板變?yōu)榱穗A梯形，面積顯著增大。從DSP衛(wèi)星的14號(hào)星開始，DSP衛(wèi)星發(fā)展到了第5代。

發(fā)射場(chǎng)的規(guī)模和火箭的運(yùn)載能力是預(yù)警衛(wèi)星星座建設(shè)的重要保障。

本文不去描述每一代DSP衛(wèi)星的具體沿革。只給出從第1代到第5代的明顯變化：首先是個(gè)頭兒越來越大，衛(wèi)星越來越重，第1代的DSP衛(wèi)星重900千克，而到了第5代，衛(wèi)星重量達(dá)到了2 381千克;

其次是功率越來越大，從第1代的400瓦躍升到了第5代的1 275瓦;

最后是傳感器數(shù)量顯著增加，從第1代的2 000個(gè)變?yōu)榈?代的6 000個(gè)。

這些DSP衛(wèi)星大多由美國(guó)空軍的火箭發(fā)射升空。不過，其中也有被航天飛機(jī)送上去的。雖然航天飛機(jī)一直以來給公眾的印象是和平地進(jìn)行太空探索，比如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、國(guó)際空間站等大項(xiàng)目都與航天飛機(jī)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，而且，美國(guó)軍方對(duì)幾乎所有的發(fā)射活動(dòng)都采取了相當(dāng)?shù)驼{(diào)的態(tài)度，但是，在航天飛機(jī)第44次任務(wù)的6位宇航員的合影照片的左上角，一顆DSP衛(wèi)星赫然在目。這就佐證了航天飛機(jī)參與過DSP軍用衛(wèi)星項(xiàng)目的傳聞。1991年11月24日，亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)執(zhí)行了一次為期6天22小時(shí)50分鐘44秒的任務(wù)，把一顆DSP天基紅外導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星送入了軌道。

至此，我們對(duì)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間和沿革情況有了大致的了解。那么問題來了，天基導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星最核心的技術(shù)，也就是其傳感器應(yīng)當(dāng)如何設(shè)計(jì)呢？如果你是設(shè)計(jì)師的話，該如何選擇呢？

我覺得，至少應(yīng)該從4個(gè)方面來考慮：

第一：應(yīng)該選用火箭、導(dǎo)彈發(fā)射過程中對(duì)外輻射非常明顯的波段;

第二：從太空中的衛(wèi)星到發(fā)射上升中的火箭、導(dǎo)彈之間，隔著一層大氣層，要充分考慮大氣層的影響;

第三：要盡量避開地面上除導(dǎo)彈火箭之外的其他輻射源，減少報(bào)虛警的情況;

第四：選用的波段應(yīng)該易于工程化，可以生產(chǎn)出符合該波段工作條件的傳感器。

無(wú)論是運(yùn)載火箭還是彈道導(dǎo)彈的發(fā)射，都會(huì)伴隨著明亮的尾焰和拖拽出長(zhǎng)長(zhǎng)的尾煙。無(wú)論使用怎樣的配方，其產(chǎn)物中基本上都會(huì)有大量的水蒸氣和二氧化碳?xì)怏w。分子中，任何一個(gè)復(fù)雜振動(dòng)都能夠被看作是不同頻率的振動(dòng)的疊加。定義簡(jiǎn)正振動(dòng)：分子中所有原子都在其平衡位置附近作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振動(dòng)頻率和位相都相同，只是振幅可能不同。也就是說，每個(gè)原子都在同一瞬間通過其平衡位置，且同時(shí)到達(dá)其最大位移值， 每一個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)都有一定的頻率，稱為基頻。（簡(jiǎn)正振動(dòng)：最簡(jiǎn)單、最基本的振動(dòng)。）水分子和二氧化碳分子的振動(dòng)模態(tài)，基本上包含了鍵的伸縮振動(dòng)與彎曲振動(dòng)兩大類。好了，第一個(gè)要素就已經(jīng)得到了確認(rèn)：要選取水蒸氣和二氧化碳對(duì)應(yīng)的波段。

了解量子力學(xué)的人應(yīng)該比較熟悉，并不是所有的分子振動(dòng)形式都能夠產(chǎn)生紅外吸收。實(shí)際上，需要紅外輻射恰好能滿足能級(jí)躍遷所需的能量，即物質(zhì)的分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率正好等于該紅外光的頻率。（對(duì)于氧氣、氫氣這樣的雙原子分子，還需要偶極矩的變化。）

決定導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的敏感器工作頻段的第二個(gè)因素是大氣層的影響。大氣層是很挑食的。它并不會(huì)吃掉所有的波段，而是針對(duì)某些比較愛吃的波段，多多地吸收，而一些特定波段則被大氣層放過。于是，氧氣分子、水分子和二氧化碳分子在大氣中的透過率曲線就形成了有山峰有峽谷的樣子。紅外預(yù)警衛(wèi)星就是借助大氣層的這個(gè)特性，把稠密大氣下面的火災(zāi)、煙花爆竹等紅外輻射源過濾掉（使用大氣層比較愛吃的波段，如透過率接近于0的2.6-3.3μm和5.5-7.4μm波段）。

當(dāng)然，想想那些所謂霧霾能夠抵抗預(yù)警衛(wèi)星的說法，還是有些弱爆了。畢竟，天基紅外衛(wèi)星是要等到導(dǎo)彈飛到1.5萬(wàn)米高空以上再去觀測(cè)，以便充分利用大氣層濾除干擾因素。除非霧霾能夠影響到1.5萬(wàn)米以上的高空，否則對(duì)于天基紅外預(yù)警衛(wèi)星來說，是不會(huì)受到影響的。

綜合考慮以上因素，天基紅外預(yù)警衛(wèi)星的工作波段可以選擇針對(duì)二氧化碳分子的2.7μm和4.3μm波段，同時(shí)結(jié)合水分子的2.7μm和6.3μm波段。從廣闊的電磁波頻譜中，只選取這么3小條，是不是有一種弱水三千只取一瓢飲的感覺呢？

從工程實(shí)際的角度來說，硫化鉛光敏感探測(cè)器的敏感波段為1μm至3μm，剛好把水分子和二氧化碳分子的2.7μm特征波段包含在內(nèi)。而通過精確調(diào)配碲化鎘和碲化汞比例，可以制成敏感波段為3μm至5μm的光敏感探測(cè)器，剛好把二氧化碳分子的4.3μm波段包含在內(nèi)。這樣敏感器的生產(chǎn)問題也算是解決了。

測(cè)地之金睛

從DSP衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)伊始，美國(guó)空軍就考慮到了全球覆蓋的問題。實(shí)際上，在地球同步軌道上運(yùn)行的DSP衛(wèi)星對(duì)俄羅斯和中國(guó)等國(guó)家可以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候監(jiān)測(cè)。更具體來說，那個(gè)在冷戰(zhàn)時(shí)期直到21世紀(jì)第一個(gè)十年內(nèi)，一直在美國(guó)導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)中占舉足輕重地位的DSP衛(wèi)星在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，保持著5顆衛(wèi)星在軌的狀態(tài)（早期發(fā)射的衛(wèi)星會(huì)到壽命而被后來發(fā)射的預(yù)警衛(wèi)星自然更替）。

這5顆衛(wèi)星，有2顆處于休眠狀態(tài)，為在軌備份星，另外3顆則分別定點(diǎn)于東經(jīng)69°上空、西經(jīng)70°上空和西經(jīng)134°上空。在東經(jīng)69°的DSP衛(wèi)星，位于印度洋上空，覆蓋俄羅斯部分、哈薩克斯坦全境、中國(guó)西北、中部大部分地區(qū)和印度、巴基斯坦全境，用于監(jiān)視陸基洲際彈道導(dǎo)彈;西經(jīng)70°的DSP衛(wèi)星，位于巴西大西洋之畔上空，用于監(jiān)視從大西洋向美國(guó)東海岸發(fā)射的潛射彈道導(dǎo)彈;西經(jīng)134°的DSP衛(wèi)星，位于太平洋上空，用于監(jiān)視從太平洋向美國(guó)西海岸發(fā)射的潛射彈道導(dǎo)彈。

美國(guó)新一代天基導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星則覆蓋著不同的區(qū)域。值得注意的是，美國(guó)率先發(fā)射的2顆高軌衛(wèi)星對(duì)俄羅斯傳統(tǒng)的發(fā)射井分布區(qū)域和中國(guó)的西北地區(qū)構(gòu)成了重疊覆蓋，將會(huì)產(chǎn)生類似于“雙目視覺”的監(jiān)測(cè)效果。

美國(guó)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)洲際彈道導(dǎo)彈、中遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈各自有多長(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間呢？預(yù)警時(shí)間基本上與導(dǎo)彈的飛行速度、彈道高度和彈道長(zhǎng)度有關(guān)。綜合計(jì)算后，其結(jié)果如下：對(duì)陸基戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間為4分鐘至5分鐘;對(duì)潛射彈道導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間為14.5分鐘至15分鐘;對(duì)陸基洲際彈道導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間為24.5至26分鐘。

海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，“愛國(guó)者”導(dǎo)彈攔截“飛毛腿”彈道導(dǎo)彈的戰(zhàn)例如今可以說是婦孺皆知了。這些攔截的背后，是DSP衛(wèi)星良好的實(shí)戰(zhàn)表現(xiàn)。“愛國(guó)者”反導(dǎo)導(dǎo)彈所需要的幾乎所有的早期預(yù)警都是由DSP衛(wèi)星星座提供的?？梢哉f，無(wú)論是“掃描式”還是“凝視式”的天基紅外導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星都經(jīng)歷了實(shí)戰(zhàn)或者類似實(shí)戰(zhàn)的考驗(yàn)。至于新一代紅外預(yù)警衛(wèi)星的表現(xiàn)如何，以及攻防雙方的博弈策略是怎樣的，則是后話了。

早期的DSP天基紅外預(yù)警衛(wèi)星由美國(guó)空軍的“大力神”、“宇宙神”運(yùn)載火箭發(fā)射而新一代的天基紅外預(yù)警衛(wèi)星則基本上由“宇宙神”V型運(yùn)載火箭來發(fā)射。值得注意的是，這款火箭使用的是俄制RD-180液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)空軍也是夠調(diào)皮的了，用俄羅斯的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來發(fā)射用于監(jiān)視俄羅斯洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射情況的美國(guó)預(yù)警衛(wèi)星。不知當(dāng)初答應(yīng)賣發(fā)動(dòng)機(jī)給美國(guó)人的俄羅斯人有沒有感到些許后悔呢。

當(dāng)前的美國(guó)天基導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)陸基戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間為4分鐘至5分鐘;對(duì)潛射彈道導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間為14.5分鐘至15分鐘;對(duì)陸基洲際彈道導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間為24.5至26分鐘。

預(yù)警衛(wèi)星之未來

目前，美國(guó)的天基預(yù)警衛(wèi)星由美國(guó)空軍太空司令部管理。這個(gè)傳統(tǒng)從上世紀(jì)70年代就確立了。實(shí)際上，所有的GPS導(dǎo)航衛(wèi)星也都?xì)w這個(gè)部門管。天基紅外預(yù)警系統(tǒng)的重要地面站設(shè)立在伯克利空軍基地。

未來，這種管理體制上或許不會(huì)有太大變化。不過，從技術(shù)層面上來說，今后的天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)將突破現(xiàn)有的紅外體系，向更豐富的波段拓展。比如，天基紫外導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星就是一個(gè)比較好的發(fā)展方向。大部分導(dǎo)彈在2.7μm和4.3μm這兩個(gè)波段都有強(qiáng)烈的特征峰，同時(shí)大氣層對(duì)這兩個(gè)波段恰好有強(qiáng)烈的吸收，有助于濾除相關(guān)的干擾信號(hào)，因此這兩個(gè)紅外波段是目前天基預(yù)警衛(wèi)星最重視的。但是，未來的洲際彈道導(dǎo)彈必然會(huì)在配方、發(fā)射機(jī)制等方面做足功夫，力圖降低這兩個(gè)波段的輻射特征。

實(shí)際上，目前某些國(guó)家已經(jīng)啟動(dòng)了低可探測(cè)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)配方的研制計(jì)劃。能夠盡量避免生成水蒸氣和二氧化碳的固體火箭推進(jìn)劑會(huì)成為新時(shí)代的隱身武器的有力支撐。但是，這樣的固體火箭推進(jìn)劑或多或少地都會(huì)添加鋁粉等顆粒物來增加比沖。鋁粉的氧化物在高溫條件下，有著紫外波段的典型輻射特征。按照類似設(shè)計(jì)天基紅外預(yù)警衛(wèi)星波段的方法，可以推斷，未來的天基紫外預(yù)警衛(wèi)星將對(duì)0.24μm到0.29μm波段的紫外線產(chǎn)生依賴。今后的天基預(yù)警衛(wèi)星會(huì)采用多種波段融合的體系。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)